一种机械臂双向平衡装置的制作方法

本发明涉及工业机器人领域，具体涉及一种机械臂双向平衡装置。

背景技术：

在工业机器人领域，存在一类在竖直平面内可以往复旋转的机械臂。这类机械臂在使用中一般配备动力装置和传动装置，如驱动电机和传动轴，使得机械臂可以在一定角度范围内发生转动。机械臂在竖直平面内的转动过程中，其重心高低会发生变化，因此一般需要在固定底座设置一个平衡装置，从而使得机械臂在运行过程中可以保持稳定。

现有技术中，为保证系统稳定性，在竖直平面内往复旋转的机械臂一般是安装在水平设置的平衡装置上，以维持力矩平衡。当机械臂的重心从高处向低处移动时，会产生较大的重力矩，可能会造成机械臂的底座不稳，因此平衡装置内需要设置弹性装置，弹性装置发生形变后，可以将机械臂的重力势能转化为弹性装置的弹性势能；当机械臂的重心从低处向高处移动时，弹性装置恢复原状，弹性装置的弹性势能转化为机械臂的重力势能，可以减少驱动电机负载所需的能量，既能保持系统稳定，又能减少能耗。

现有机械臂平衡装置的不足之处在于，由于机械臂可能发生顺时针转动或逆时针转动，因此需要设置至少两个(或两组)异向的弹簧来实现往复双向运动的力矩平衡。现有平衡装置大多与驱动装置分别设置，需要额外空间安装，占用空间较大，且连接结构复杂，可靠性及稳定性比较差，严重影响设备使用寿命和工作效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种机械臂双向平衡装置，以解决现有技术机械臂平衡装置所存在的能耗较大、连接结构复杂、占用空间大、系统稳定性差等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种机械臂双向平衡装置，包括第一旋转装置；第二旋转装置，设于所述第一旋转装置外部；至少一涡卷状弹性件，其内端连接至所述第一旋转装置，其外端连接至所述第二旋转装置；传动装置，其一端连接至所述第一旋转装置和/或所述第二旋转装置；其另一端连接至机械臂；以及稳定装置，用于安装所述第一旋转装置及所述第二旋转装置。其中，所述第一旋转装置包括传动轴，所述涡卷状弹性件套设于所述传动轴外部；以及内端卡槽，设于所述传动轴外侧壁，所述涡卷状弹性件的内端卡合至所述内端卡槽；所述第二旋转装置包括外壳，其为环形套管，套设于所述涡卷状弹性件外部；以及外端卡口，贯穿所述外壳的管壁，所述涡卷状弹性件的外端卡合至所述外端卡口。

进一步地，在不同实施例中，所述第一旋转装置还包括第一卡块，突出于所述传动轴一端的表面；以及第二卡块，突出于所述传动轴另一端的表面。

进一步地，在不同实施例中，所述第二旋转装置还包括第一转盘，固定连接至所述外壳的一侧，所述第一转盘中心处设有第一转盘通孔；以及第二转盘，固定连接至所述外壳的另一侧，所述第二转盘中心处设有第二转盘通孔；其中，所述传动轴依次穿过所述第一转盘通孔、所述涡卷状弹性件及所述第二转盘通孔。

进一步地，在不同实施例中，所述第二旋转装置还包括第一转盘挡块，突出于所述第一转盘远离所述外壳一侧的表面；以及第二转盘挡块，突出于所述第二转盘远离所述外壳一侧的表面。

进一步地，在不同实施例中，所述传动装置包括传动板，与第一转盘外表面相切，其边缘处设有第一弧形卡口，第一转盘挡块卡入至所述第一弧形卡口内；限位套管，突出于所述传动板的表面，固定连接至所述机械臂；以及第一限位孔，贯穿所述限位套管及所述传动板中部，第一卡块卡入至所述第一限位孔内；其中，所述第一限位孔内设有两个向内突出的第一限位挡块，用于限制所述第一卡块的转动范围。

进一步地，在不同实施例中，所述第一限位挡块的横截面为直角扇形；两个第一限位挡块横截面的扇形圆心突出至所述第一限位孔中部；两个第一限位挡块横截面的扇形圆心相对设置；所述第一限位孔横截面的圆心位于两个第一限位挡块横截面扇形圆心的连线上。

进一步地，在不同实施例中，所述稳定装置包括水平底座；以及第一支撑板、第二支撑板，垂直式固定于所述水平底座的左右两端；其中，所述第一支撑板与所述第二支撑板相对设置且彼此平行。

进一步地，在不同实施例中，所述第一支撑板中心处设有限位套管安装孔，套设于限位套管外部；所述第二支撑板中心处设有第二限位孔，第二卡块卡入至所述第二限位孔内；所述第二限位孔内设有两个向内突出的第二限位挡块，用于限制所述第二卡块的转动范围；所述第二支撑板边缘处设有第二弧形卡口，第二转盘挡块卡入至所述第二弧形卡口内。

进一步地，在不同实施例中，所述第二限位挡块的横截面为直角扇形；两个第二限位挡块横截面的扇形圆心突出至所述第二限位孔中部；两个第二限位挡块横截面的扇形圆心相对设置；所述第二限位孔横截面的圆心位于两个第二限位挡块横截面扇形圆心的连线上。

进一步地，在不同实施例中，所述涡卷状弹性件包括但不限于平面涡卷弹簧或扭簧；所述涡卷状弹性件的横截面形状包括但不限于矩形、圆形或椭圆形；当所述涡卷状弹性件的数量为两个以上时，所有涡卷状弹性件的绕向相同；当两个以上涡卷状弹性件同时发生形变时，所有涡卷状弹性件产生的回复扭矩的方向相同。

本发明提供一种机械臂双向平衡装置，当机械臂在竖直平面内两个旋转方向上做往复运动时，只需用一个或一组同方向涡卷状弹性件即可以保证系统的力矩平衡，可以有效减轻驱动电机负载，减少能耗，同时降低了设备的生产和维护成本。此外，本发明可以有效简化连接结构、节省空间，同时提高了系统可靠性和稳定性，延长使用寿命、提升工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例使用状态下剖面结构示意图；

图2为本发明实施例整体结构示意图；

图3为本发明实施例分解结构示意图；

图4为本发明实施例中第一旋转装置的结构示意图；

图5为本发明实施例中第二旋转装置的结构示意图；

图6为本发明实施例中涡卷状弹性件的结构示意图；

图7为本发明实施例中传动装置的正面结构示意图；

图8为本发明实施例中稳定装置的结构示意图；

图9为本发明实施例中第二支撑板的结构示意图；

图10为本发明实施例中机械臂的位置示意图；

图中部件标号如下：

100第一旋转装置，200第二旋转装置；300涡卷状弹性件，400传动装置；

500稳定装置，600机械臂，700驱动装置；

101传动轴，102内端卡槽，103第一卡块，104第二卡块；

201外壳，202外端卡口，203第一转盘，204第二转盘；

301弹簧片，302弹簧内端，303弹簧外端；

401传动板，402限位套管，403第一限位孔；

501第一支撑板，502第二支撑板，503水平底座；

601机械臂的基准位置，602机械臂的第一目标位置，603机械臂的第二目标位置；

1051第三转盘挡块；

2031第一转盘通孔，2032第一转盘挡块；2041第二转盘通孔，2042第二转盘挡块；

4011第一弧形卡口，4031第一限位挡块，4032第一限位挡块；

5011限位套管安装孔，5021第二限位孔，5022第二弧形卡口；

5031第二限位挡块，5032第二限位挡块。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，证明本发明可以实施，该实施例可以向本领域中的技术人员完整介绍本发明，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的部件以相似数字标号表示。附图所示的每一部件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个部件的尺寸和厚度。

本发明所提到的方向用语，例如，上、下、前、后、内部、外部、内、外、侧面、顶部、底部、顶端、底端、末端、顺时针、逆时针等，仅是附图中的方向，只是用来解释和说明本发明，而不是用来限定本发明的保护范围。

当某些部件被描述为“在”另一部件“上”时，所述部件可以直接置于所述另一部件上；也可以存在一中间部件，所述部件置于所述中间部件上，且所述中间部件置于另一部件上。当一个部件被描述为“安装至”或“连接至”另一部件时，二者可以理解为直接“安装”或“连接”，或者一个部件通过一中间部件间接“安装至”或“连接至”另一个部件。

如图1～10所示，本发明所述的机械臂双向平衡装置，包括第一旋转装置100、第二旋转装置200、至少一涡卷状弹性件300、传动装置400、稳定装置500、机械臂600以及驱动装置700。

传动装置400的一端连接至第一旋转装置100和/或第二旋转装置200，其另一端连接至一外设的机械臂600，机械臂600在竖直平面上、在一定角度范围内可进行往复旋转。本发明中，机械臂600为直接与传动装置400连接的部件，也可以是通过其他机构间接与传动装置400连接的部件。

对于直接与传动装置连接的机械臂600来说，其旋转路径所处平面与涡卷状弹性件300中心轴所处直线相垂直。本发明中，涡卷状弹性件(涡卷弹簧)的中心轴水平设置，机械臂的旋转路径所处平面皆为竖直平面。当机械臂在竖直面内旋转时，本发明所述双向平衡装置用于实现机械臂的自重平衡。

机械臂600在驱动装置700(如驱动电机)作用下，可以在竖直面内沿顺时针方向或逆时针方向旋转。本文中，判断时针方向的视线方向皆为正对机械臂600的方向，可见本实施例外部机械臂600全部旋转过程。由于机械臂600固定连接至传动装置400，当机械臂600旋转时，传动装置400被带动发生同向旋转，进而带动第一旋转装置100或第二旋转装置200发生旋转。

第一旋转装置100及第二旋转装置200皆安装至稳定装置500；第二旋转装置200设于第一旋转装置100外部，二者可以独立旋转，互不干涉。涡卷状弹性件300为螺旋形，其内端连接至第一旋转装置100，其外端连接至第二旋转装置200，当任一旋转装置发生旋转、且另一旋转装置保持静止时，涡卷状弹性件300的两端会受到一定压力，使其会发生形变。

当第一旋转装置100被传动装置400带动发生旋转时，第二旋转装置200保持静止，涡卷状弹性件300发生形变，并且产生第一回复扭矩；当第二旋转装置200被传动装置400带动发生旋转时，第一旋转装置100保持静止，涡卷状弹性件300发生形变，并且产生第二回复扭矩；所述第一回复扭矩与所述第二回复扭矩的方向相反。

当涡卷状弹性件受力张开时或受力紧缩时，都会产生一定的回复力矩，促使其回复原形。涡卷状弹性件被张开时，会产生向内收缩的力矩；当涡卷状弹性件受力被紧缩时，会产生向外张开的力矩；在这两种情况下，涡卷状弹性件产生的回复力矩方向是相反的。

如图3～4所示，第一旋转装置100包括传动轴101，涡卷状弹性件300套设于传动轴101外部。传动轴101外侧壁设有内端卡槽102，内端卡槽102为直线型凹槽，用于卡合涡卷状弹性件300的内端。传动轴101一端的表面设有一突出的第一卡块103，其另一端的表面设有一突出的第二卡块104。本实施例中，第一卡块103、第二卡块104为长方体，优选长条形卡块。

如图3、图5所示，第二旋转装置200包括外壳201，其为环形套管，套设于涡卷状弹性件300外部。外壳201设有外端卡口202，贯穿所述环形套管的管壁，用于卡合涡卷状弹性件300的外端。

第二旋转装置200还包括第一转盘203及第二转盘204，第一转盘203固定连接至外壳201的一侧，第二转盘204固定连接至外壳201的另一侧，具体地说，第一转盘203、第二转盘204分别固定连接至环形套管两端的管口处。第一转盘203、第二转盘204靠近外壳201的一侧的表面为其内表面，远离外壳201的一侧的表面为其外表面。第一转盘203中心处设有第一转盘通孔2031；第二转盘204中心处设有第二转盘通孔2041。传动轴101依次穿过第一转盘通孔2031、涡卷状弹性件300及第二转盘通孔2041，第一转盘通孔2031、第二转盘通孔2041的中心轴线与传动轴101的轴心线在同一直线上，第一转盘通孔2031、第二转盘通孔2041的直径略大于传动轴101的直径。

第二旋转装置200还包括第一转盘挡块2032与第二转盘挡块2042，第一转盘挡块2032突出于第一转盘203远离外壳201一侧的表面；第二转盘挡块2042突出于第二转盘204远离外壳一侧的表面。

如图3、图6所示，涡卷状弹性件300优选平面涡卷弹簧或扭簧，包括涡卷状的弹簧片301，弹簧片301整体位于两个平行平面之间。弹簧片301两端分别成为弹簧内端302和弹簧外端303，弹簧内端302卡合至第一旋转装置100的内端卡槽102，弹簧外端303卡合至第二旋转装置200的外端卡口202。

本实施中，当涡卷状弹性件300的数量为两个以上时，所有涡卷状弹性件300的绕向相同，具体地说，所有涡卷状弹性件300的弹簧片301绕向相同。当两个以上涡卷状弹性件300同时发生形变时，所有涡卷状弹性件300产生的回复扭矩的方向相同。由于每一个涡卷状弹性件300都可以在受力方向不同的情况下产生两种方向相反的回复力矩，因此，在本发明中只用一个或者一组涡卷弹簧既可以实现双向缓冲和储能的效果。相对于现有技术中同时设置两组绕向相反涡卷弹簧的技术方案，本发明可以简化结构、减少体积，有效降低生产成本及节省空间。

所有涡卷状弹性件300的弹簧内端302位置相对应，可以设于同一直线上；所有涡卷状弹性件300的弹簧外端303位置相对应，可以设于同一直线上。涡卷状弹性件300的横截面形状，具体地说，弹簧片301的横截面形状，包括但不限于矩形、圆形或椭圆形。常见涡卷弹簧的弹簧片301一般是薄片状，其横截面形状为矩形，其长度与宽度的比值大于10。常见扭簧一般为较细的金属丝扭曲成螺旋状结构形成的，为了加工方便，其横截面多为圆形或椭圆形。

当涡卷状弹性件300的数量为两个以上时，相邻两涡卷状弹性件300之间设置一个隔离圈，所述隔离圈为弹性耐磨材质(如橡胶)制成，防止涡卷状弹性件300在发生或恢复形变过程中与其他涡卷状弹性件300或其他部件发生碰撞，影响形变储能效果。

如图3、图7所示，传动装置400包括传动板401与限位套管402，传动板401整体为圆形，传动板401一侧表面与第一转盘203外表面相切；限位套管402突出于传动板401的表面，限位套管402通过连接部件固定连接至机械臂600。

传动板401边缘处设有第一弧形卡口4011，第一转盘挡块2032卡入至第一弧形卡口4011内。第一弧形卡口4011，其底部为一弧线，该弧线所处圆形的圆心与传动板401的圆心重合，该弧线对应的圆心角为90度。

限位套管402设有第一限位孔403，贯穿限位套管402及传动板401的中部。第一旋转装置100的第一卡块103卡入至第一限位孔403内，第一限位孔403内设有两个向内突出的第一限位挡块4031、4032，用于限制第一卡块103的转动范围。本实施例中，第一限位孔403的横截面主体为圆形，其直径略大于第一卡块103的长度。

第一限位挡块4031、4032的横截面为直角扇形，两个第一限位挡块4031、4032的扇形圆心相对设置，第一限位孔403横截面的圆心位于两个第一限位挡块4031、4032的扇形圆心连线上，两个第一限位挡块4031、4032横截面的扇形圆心突出至所述第一限位孔403中部，第一卡块103在第一限位孔403内的旋转角度为90度。

限位套管402的长度大于第一卡块103的厚度，当第一卡块103插入至第一限位孔403后，第一限位孔403内远离第一转盘203处还有一部分空间，可用于安装机械臂600输出动力的传动轴，该传动轴前端卡接部的形状与第一限位孔403的形状相对应。

如图3、图8～9所示，稳定装置500包括第一支撑板501、第二支撑板502及水平底座503，第一支撑板501、第二支撑板502垂直式固定于水平底座503的左右两端，第一支撑板501、第二支撑板502相对设置且彼此平行。

水平底座503优选矩形底座，水平底座503设有多个安装螺孔，用紧固件可以将水平底座503固定安装在地面或其他基座上，从而保证机械臂及平衡装置形成的系统足够稳定，不会发生偏移或晃动。

第一支撑板501中心处设有限位套管安装孔5011，套设于限位套管402外部，限位套管402通过限位套管安装孔5011与一个外设的机械臂600相连接，当机械臂600在竖直平面内发生转动时，限位套管402也可以被带动发生转动。

第二支撑板502中心处设有第二限位孔5021，第二卡块104卡入至第二限位孔5021内；第二限位孔5021内设有两个向内突出的第二限位挡块5023、5024，用于限制第二卡块104的转动范围。本实施例中，第二限位孔5021的横截面主体为圆形，其直径略大于第二卡块104的长度。第二限位挡块5023、5024的横截面为直角扇形，两个第二限位挡块5023、5024横截面的扇形圆心相对设置，第二限位孔5021横截面的圆心位于两个第二限位挡块5023、5024的扇形圆心连线上，两个第二限位挡块5023、5024横截面的扇形圆心突出至第二限位孔5021中部，第二卡块104在第二限位孔5021内的旋转角度为90度。

第二支撑板502边缘处设有第二弧形卡口5022，第二转盘挡块2042卡入至第二弧形卡口5022内。第二弧形卡口5022，其弧形中心线为一弧线，该弧线所处圆形的圆心与第二支撑板502中心重合，该弧线对应的圆心角为90度。

稳定装置500还可以包括防护罩(图未示)，所述防护罩的底部安装至水平底座503，所述防护罩包覆在第一旋转装置100及第二旋转装置200外部，用以保护第一旋转装置100及第二旋转装置200，使其在旋转过程中不会被外部因素干扰。

本实施例中，第一弧形卡口4011与第一限位挡块4031或4032位置相对应，第二弧形卡口5022与第二限位挡块5031或5032位置相对应，从而使得第一旋转装置100与第二旋转装置200中只有一个可以发生转动，彼此互不干扰。

如图10所示，本实施例中，机械臂600在竖直平面上旋转过程中，将其运行轨迹上机械臂600重心最高处设为基准位置601，将其运行轨迹上的两个机械臂600重心最低处设为第一目标位置602和第二目标位置603。本实施例中，将机械臂600的基准位置的旋转角度设定为0度，其旋转角度范围为顺时针旋转0～90度及逆时针旋转0～90度。判断时针方向的视线方向为正对第一支撑板501的方向，可见本实施例外部机械臂600全部旋转过程。

如图10所示，当机械臂600位于基准位置时，第一旋转装置100和第二旋转装置200皆保持静止，涡卷状弹性件300维持原状。第一卡块103、第二卡块104竖直设置，第一转盘挡块2032、第二转盘挡块2042皆位于传动轴101上方。

当机械臂600需要从基准位置601逆时针旋转至第一目标位置602时，机械臂600的重心由高处向低处移动，驱动装置700(电机)带动机械臂600逆时针旋转，传动装置400也被带动发生逆时针旋转。此时，第一转盘203的第一转盘挡块2032卡在传动板401的第一弧形卡口4011内，因此会带动第二旋转装置200逆时针转动，当机械臂600到达第一目标位置602时，转动角度为90度。在这一过程中，第二转盘挡块2042在第二弧形卡口5022内滑动，确保第二转盘204可以与第一转盘203同步发生旋转。在这一过程中，第一卡块103在第一限位孔403内没有受到任何阻力，第一旋转装置100完全静止不动。由于涡卷状弹性件300的内端固定连接至第一旋转装置100，其外端固定连接至第二旋转装置200，因此涡卷状弹性件300会发生形变，产生卷曲，机械臂600的重力势能转化为涡卷状弹性件300的弹性势能。

当机械臂600需要从第一目标位置602顺时针旋转回到基准位置601时，机械臂600的重心由低处向高处移动，驱动装置700(电机)带动机械臂600顺时针旋转，传动装置400也被带动发生顺时针旋转。机械臂600回到基准位置601时，第二旋转装置200发生顺时针转动，涡卷状弹性件300逐步恢复本来形状，涡卷状弹性件300的弹性势能转化为机械臂600的重力势能，从而减少驱动装置700对机械臂600的做功，减少电机能耗。

当机械臂600需要从基准位置601顺时针旋转至第二目标位置603时，机械臂600的重心由高处向低处移动，驱动装置700(电机)带动机械臂600顺时针旋转，传动装置400也被带动发生顺时针旋转，当机械臂600到达第二目标位置603时，转动角度为90度。此时，第一卡块103卡合至第一限位孔403，两个第一限位挡块4031、4032推动第一卡块103顺时针旋转，从而带动第一旋转装置100顺时针旋转。在这一过程中，第二卡块104在第二限位孔5021内滑动，确保传动轴101可以自由转动。在这一过程中，第一转盘挡块2032在第一弧形卡口4011内滑动，第二转盘挡块2042在第二弧形卡口5022内滑动，第一转盘203完全没有受到推力，第二旋转装置200静止不动。由于涡卷状弹性件300的内端固定连接至第一旋转装置100，其外端固定连接至第二旋转装置200，因此涡卷状弹性件300会发生形变，产生卷曲，机械臂600的重力势能转化为涡卷状弹性件300的弹性势能。

当机械臂600需要从第二目标位置603逆时针旋转回到基准位置601时，机械臂600的重心由低处向高处移动，驱动装置700(电机)带动机械臂600逆时针旋转，传动装置400也被带动发生逆时针旋转。机械臂600回到基准位置601时，第一旋转装置100逆时针转动，涡卷状弹性件300逐步恢复本来形状，涡卷状弹性件300的弹性势能转化为机械臂600的重力势能，从而减少驱动装置700对机械臂600的做功，减少电机能耗。

在机械臂600的重心由高处向低处移动过程中，当机械臂600在竖直面内沿顺时针方向旋转时，传动装置400带动第一旋转装置100沿顺时针方向旋转；当机械臂600在竖直面内沿逆时针方向旋转时，传动装置400带动第二旋转装置200沿逆时针方向旋转。

在机械臂600的重心由低处向高处移动过程中，当机械臂600在竖直面内沿顺时针方向旋转时，第二旋转装置200带动传动装置400沿顺时针方向旋转；当机械臂600在竖直面内沿逆时针方向旋转时，第一旋转装置100带动传动装置400沿逆时针方向旋转。

本实施例在工作中，外设的机械臂600在驱动装置700的驱动下，在竖直面内旋转，可以通过传动装置400带动第一旋转装置100或第二旋转装置200在一定范围内发生旋转，由于涡卷状弹性件300的两端分别连接至第一旋转装置100或第二旋转装置200，当任一旋转装置发生旋转时，涡卷状弹性件300都会受力发生形变，从而起到缓冲和暂存能量的作用。

在本实施例中，第一限位孔403、第二限位孔5021、第一弧形卡口4011、第二弧形卡口5022在图中的位置可以左右对调，其工作模式和原理与前述方案类似，在此不做赘述。按照这样的技术方案，在机械臂600的重心由高处向低处移动过程中，当机械臂600在竖直面内沿顺时针方向旋转时，传动装置400带动第二旋转装置200沿顺时针方向旋转；当机械臂600在竖直面内沿逆时针方向旋转时，传动装置400带动第一旋转装置100沿逆时针方向旋转。在机械臂600的重心由低处向高处移动过程中，当机械臂600在竖直面内沿顺时针方向旋转时，第一旋转装置100带动传动装置400沿顺时针方向旋转；当机械臂600在竖直面内沿逆时针方向旋转时，第二旋转装置200带动传动装置400沿逆时针方向旋转。

本实施例提供一种用于机械臂的机械臂双向平衡装置，当机械臂在竖直平面内两个旋转方向上做往复运动时，只需用一个或一组同方向弹性件即保证系统的力矩平衡，可以有效减轻驱动电机负载，减少能耗，同时降低了设备的生产和维护成本。此外，本实施例可以有效简化连接结构、节省空间，同时提高了系统可靠性和稳定性，延长使用寿命、提升工作效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。